四通道可編程數(shù)字下變頻器HSP50216及其在軟件無(wú)線

1 引言

軟件無(wú)線電起源于美國(guó)國(guó)防部的易通話（speakeasy）戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)墳?zāi)?。隨著數(shù)字技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以及通用可編程器FPGA的運(yùn)算能力和處理速度的成倍提高，而價(jià)格卻顯著下降。同時(shí)，現(xiàn)代無(wú)線電系統(tǒng)的越來(lái)越多的功能可以由軟件實(shí)現(xiàn)，也大大推動(dòng)了軟件無(wú)線電發(fā)展。

理想的軟件無(wú)線電可直接在射頻上進(jìn)行A/D、D/A變換，這就要求A/D、D/A變換必須具有足夠高的采樣速率。根據(jù)Nyquist采用定理，要不失真的反映信號(hào)特征，采樣頻率fs至少應(yīng)是模擬信號(hào)帶寬Wa的兩倍。為保證性能，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用fs>2.5Wa的過(guò)采樣處理。如果直接在 3000MHz的頻率上對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D變換，則A/D器件的采樣速率至少應(yīng)為7500MSPS（每秒百萬(wàn)樣值）。但是，當(dāng)前技術(shù)比較成熟的常用A/D器件的采樣速率一般只有幾十MSPS，高的也只能達(dá)到幾百M(fèi)SPS，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)需要?，F(xiàn)階段研制開(kāi)發(fā)的軟件無(wú)線電臺(tái)都是在中頻上進(jìn)行A/D和D/A變換，中頻一般選定在10MHz～100MHz。在目前的軟件無(wú)線收機(jī)中，A/D通常直接采樣的模擬中頻信號(hào)，其輸出的高速數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)字下變頻器的變頻、抽取和低通濾波之后變成低速基帶信號(hào)以供后續(xù)的DSP作進(jìn)一步處理。對(duì)于多通道的軟件無(wú)線電接收機(jī)而言，采用Intersil公司最新推出的多通道可編程數(shù)字下變頻器集成芯片HSP50216是一種很好的選擇。該芯片的主要特點(diǎn)如下：

●輸入信號(hào)速率達(dá)70MSPS；

●具有四個(gè)獨(dú)立可編程的下變頻器通道；

●具有四個(gè)定點(diǎn)或浮點(diǎn)模式的16-bit并行輸入通道；

●帶有32-bit可編程載頻數(shù)控振蕩器（NCO）；

●全部處理過(guò)程的無(wú)虛假信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）大于115dB；

●抽取因子范圍為8～65536；

●含有24-bit內(nèi)部數(shù)據(jù)通道；

●內(nèi)含增益容限可達(dá)96dB的數(shù)字AGC；

●具有多種濾波器功能（其中包括：1到5級(jí)CIC濾波器、半帶抽取與插入FIR濾波器、可編程FIR濾波器和重采樣FIR濾波器）；

●可通過(guò)串聯(lián)濾波獲得附加帶寬；

●具有四個(gè)獨(dú)立的串行輸出通道；

●采用3.3V電壓工作。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

HSP50216 是一個(gè)四通道的數(shù)字接收機(jī)集成芯片，它具有很大的動(dòng)態(tài)范圍和靈活性。在四個(gè)通道中，每一個(gè)通道都是由有端的載頻數(shù)控振蕩器（NCO）、數(shù)字混頻器和級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器CIC以及后端的FIR濾波器、AGC和直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。四個(gè)通道中的每個(gè)通道的參數(shù)都可以獨(dú)立通過(guò)微處理器進(jìn)行編程。圖1是 HSP50216的內(nèi)部功能框圖。圖中，A（15：0），B（15：0），C（15：0）和D（15：0）分別為四種并行的數(shù)據(jù)輸入總線。SdxA、 SDxB、SDxC和CDxD為四對(duì)串行數(shù)據(jù)輸出線。每一個(gè)輸入都可以連接到任意一個(gè)或所有的內(nèi)部信號(hào)處理通道中去。每一個(gè)通道的輸出都可以接到任何一個(gè)串行輸出端。如果多路通道是同步的，那么這些通道可以復(fù)用到一個(gè)共同的輸出端。四個(gè)通道共用同一個(gè)輸入時(shí)鐘和同一個(gè)串行輸出時(shí)鐘。但是輸出信號(hào)速率既可以是同步的也可以是異步的。位于前端和后端之間的總線多路轉(zhuǎn)換器可以后端串聯(lián)的濾波器提供路由，或者為多相濾波提供從一個(gè)前端至多個(gè)后端的路由。電平檢測(cè)器把每一條并行數(shù)據(jù)輸入總線上的信號(hào)電平提供給監(jiān)控器，從而使得微處理器增益控制優(yōu)于A/D轉(zhuǎn)換器。

每個(gè)通道的前端部分都包括有正交數(shù)控振蕩器（NCO）、數(shù)字混頻器、桶形移位寄存器和級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器（CIC）。NCO具有32-bit頻率控制字，可用于信道的分選和載波跟蹤，基頻率分辨率可達(dá)16.3MHz（輸入信號(hào)速率為70MSPS）。NCO的無(wú)虛假信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）大于115dB。桶形移位寄存器可提供介于2 -45到2 -14之間的增益以防止CIC的溢出。CIC濾波器的級(jí)數(shù)介于1到5級(jí)之間并且是可編程，同時(shí)，CIC的抽取因子也是可編程的，第5級(jí)的抽取因子為5到 512，第4級(jí)的抽取因子為4至2048，第3級(jí)的抽取因子為4到32768，第1級(jí)和第二級(jí)的抽取因子為4到65536。